Updated on 2025/04/03

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MAEDA, Keiichi
 
Affiliation
Faculty of Science and Engineering
Job title
Professor Emeritus
Degree
理学博士(京都大学) ( 京都大学 )

Professional Memberships

  •  
     
     

    国際天文連合

  •  
     
     

    一般相対性および重力学会

  •  
     
     

    日本天文学会

  •  
     
     

    日本物理学会

Research Areas

  • Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics

Research Interests

  • Cosmology, Relativity, Astrophysics, Particles Physics

 

Papers

  • Chaotic von Zeipel-Lidov-Kozai oscillations of a binary system around a rotating supermassive black hole

    Kei Ichi Maeda, Priti Gupta, Hirotada Okawa

    Physical Review D   108 ( 12 )  2023.12

     View Summary

    In this paper, we investigate the dynamics of a binary system that orbits a rotating supermassive black hole. Our approach employs Fermi-Walker transport to construct a local inertial reference frame, and to set up a Newtonian binary system. We consider a scenario in which a circular geodesic observer is positioned around a Kerr black hole, and thereby derive the equations of motion governing the binary system. To eliminate the interaction terms between the c.m. of the binary and its relative coordinates, we introduce a small acceleration for the observer. This adjustment leads to the c.m. closely following the observer's orbit, deviating from a circular geodesic. Here, we first focus on elucidating the stability conditions in a hierarchical triple system. Subsequently, we discuss the phenomenon of von Zeipel-Lidov-Kozai oscillations, which manifest when the binary system is compact and the initial inclination exceeds a critical angle. In hard binary systems, these oscillations exhibit regular behavior, while in soft binary systems, they exhibit a chaotic character, characterized by irregular periods and amplitudes, albeit remaining stable. Additionally, we observe an orbital flip under circumstances of large initial inclination. As for the motion of the c.m., we observe deviations from a purely circular orbit that transform into stable yet chaotic oscillations characterized by minute amplitude variations.

    DOI

  • Dynamics of a binary system around a supermassive black hole

    Kei-ichi Maeda, Priti Gupta, Hirotada Okawa

    Physical Review D   107 ( 12 ) 124039-1 - 124039-28  2023.06  [Refereed]

    Authorship:Lead author

    DOI

  • Cosmological dynamics of Cuscuta–Galileon gravity

    Sirachak Panpanich, Kei-ichi Maeda

    The European Physical Journal C   83 ( 3 ) 1 - 11  2023.03  [Refereed]

    Authorship:Last author

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    Abstract

    We study cosmological dynamics of the Cuscuta–Galileon gravity with a potential term by using the dynamical system approach. This model is galileon generalization of the cuscuton gravity where we add a potential term to the theory in order to obtain the radiation and matter dominated eras. The exponential potential can provide the sequence of the thermal history of the Universe correctly, i.e. starting from radiation dominance, passing through matter dominant era, and then approaching de Sitter expansion stage. This model has no ghosts and the Laplacian instability for both scalar and tensor perturbations. We also discuss the observational constraints on the model parameters. It turns out that the model actually has three degrees of freedom unlike the original cuscuton theory.

    DOI

  • Gravitational collapse and formation of a black hole in a type II minimally modified gravity theory

    Antonio De Felice, Kei-ichi Maeda, Shinji Mukohyama, Masroor C. Pookkillath

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics   2023 ( 03 ) 030 - 030  2023.03

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    Abstract

    We study the spherically symmetric collapse of a cloud of dust in VCDM, a class of gravitational theories with two local physical degrees of freedom. We find that the collapse corresponds to a particular foliation of the Oppenheimer-Snyder solution in general relativity (GR) which is endowed with a constant trace for the extrinsic curvature relative to the time t constant foliation. For this solution, we find that the final state of the collapse leads to a static configuration with the lapse function vanishing at a radius inside the apparent horizon. Such a point is reached in an infinite time-t interval, t being the cosmological time, i.e. the time of an observer located far away from the collapsing cloud. The presence of this vanishing lapse endpoint implies the necessity of a UV completion to describe the physics inside the resulting black hole. On the other hand, since the corresponding cosmic time t is infinite, VCDM can safely describe the whole history of the universe at large scales without knowledge of the unknown UV completion, despite the presence of the so-called shadowy mode.

    DOI

  • A possible solution to the helium anomaly of EMPRESS VIII by cuscuton gravity theory

    Kazunori Kohri, Kei-ichi Maeda

    Progress of Theoretical and Experimental Physics   2022 ( 9 )  2022.09  [Refereed]

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    Abstract

    We discuss cosmology based on the cuscuton gravity theory to resolve the anomaly of the observational 4He abundance reported by the EMPRESS collaboration. We find that the gravitational constant Gcos in the Friedmann equation should be smaller than Newton’s constant GN such that ${\Delta G_{\rm N } }/{G_{\rm N } } \equiv (G_{\rm cos}-G_{\rm N})/{G_{\rm N } } = -0.085_{-0.028}^{+0.026} \ (68 \% \text{ C.L.})$ in terms of big-bang nucleosynthesis, which excludes ΔGN = 0 at more than 95% C.L. To fit the data, we obtain a negative mass squared of a non-dynamical scalar field with the Planck-mass scale as $\sim - {\mathcal {O } }(1) {M_{\rm PL}^2} ({\mu }/{0.5 M_{\rm PL } })^{4}$ with the cuscuton mass parameter μ. This fact could suggest the need for modified gravity theories such as the cuscuton gravity theory with a quadratic potential, which can be regarded as the low-energy Hořava–Lifshitz gravity, and might give a hint of quantum gravity.

    DOI

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Books and Other Publications

  • 演習形式で学ぶ特殊相対性理論

    前田, 恵一, 田辺, 誠( Part: Joint author)

    サイエンス社  2022.04 ISBN: 9784781915418

  • 天体物理学の基礎 II

    牧野淳一郎, 前田恵一, 田中貴浩, 星野真弘, 服部誠( Part: Contributor)

    日本評論社  2008.05 ISBN: 9784535607316

  • 重力理論講義 ー 相対性理論と時空物理学の進展

    前田恵一( Part: Sole author)

    2008.05

  • 複雑さと法則 (複雑系叢書5)

    早稲田大学複雑系高等学術研究所編, 永井善則, 相沢洋二, 原山卓久, 山中由也, 森川雅博, 前田恵一( Part: Contributor)

    共立出版  2006.11 ISBN: 432003449X

    ASIN

  • The scalar-tensor theory of gravitation

    Yasunori Fujii, Kei-ichi Maeda( Part: Joint author)

    Cambridge University Press  2003.03 ISBN: 0521037522

    ASIN

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Presentations

  • Metric-Affine Gravity Theory and Inflation

    Kei-ichi Maeda  [Invited]

    Workshop on COSMOLOGY AND THE QUANTUM VACUUM  (Benasque) 

    Presentation date: 2018.09

  • Metric-Affine gravity theory and acceleration of the Universe

    Kei-ichi Maeda  [Invited]

    5th Korea-Japan joint workshop on Dark Energy at KMI  (Daejeon) 

    Presentation date: 2018.08

  • Massive Graviton Geons and Dark Matter

    Kei-ichi Maeda

    Workshop on Frontiers in Gravitation, Astrophysics, and Cosmology (ICNFP 2018)  (Creta) 

    Presentation date: 2018.07

  • Massive Graviton Geon in Bigravity Theory

    Kei-ichi Maeda  [Invited]

    Fifteenth Marcel Grossmann Meeting MG15  (Rome) 

    Presentation date: 2018.07

  • Black Holes in the Universe from Higher Dimensions

    Kei-ichi Maeda  [Invited]

    Brinsop Meeting for Stephen Hawking  (Brinsop) 

    Presentation date: 2017.09

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Research Projects

  • 様々な相対論的重力現象解析に基づく重力の本質理解に向けて

    Project Year :

    2019.04
    -
    2022.03
     

     View Summary

    重力を時空の幾何学として捉える一般相対論は宇宙論、ブラックホール、重力波というまったく新しい研究分野を開拓した。本研究では三体重力系のような非可積分系のダイナミクス、特にそのような系から放出される重力波の解析により、重力の新しい側面を明らかにする。一方、超ミクロの世界と超マクロの世界の両極端で人類は大きな謎に遭遇しているが、本研究では一般相対論を超える理論や考え方によってこれらの謎解明に迫る。重力を時空の幾何学として捉える一般相対論は宇宙論、ブラックホール、重力波というまったく新しい研究分野を開拓した。本研究では三体重力系のような非可積分系のダイナミクス、特にそのような系から放出される重力波の解析により、重力の新しい側面を明らかにすることを目的とし、本年度は特に階層三体重力系(近接連星が第3の天体と連星系を構成する三体系)に特徴的な古在・リドフ振動の詳細な解析を行い、そのような系から放出される重力波の観測可能性について考察した。その結果、重力波の間接的証拠となるパルサーの近星点移動曲線の屈折が観測的にみられることを予言し、また直接観測に関しては、内部連星が合体する以前においてもLISAなどの次世代観測機器により十分に観測可能であることを示した。一方、超ミクロの世界と超マクロの世界の両極端で人類は大きな謎に遭遇しているが、本研究では一般相対性理論を超える理論や考え方によってこれらの謎解明に迫る。まずは従来の研究の延長上として、これらの謎解明に向けた修正重力理論に基づく様々な重力現象の解析を行っているが、重力波伝播速度が光速度とほぼ同じである制限はこのアプローチに大きな制限を与えている。そこで本研究で遂行する新しいアプローチ開拓の第一歩としてAdS/CFT対応を基礎にした重力理論構築に向けた準備研究をスタートした。特にCFT側から適切な境界条件を課すことで、ディープラーニングなどの手法を用いて重力側においてどのような重力理論が発現するかを探索中である。第一の課題に対して2019年度は、主に階層的三体系からの重力波観測の可能性について調べた。階層的三体系に特徴的な古在・リドフ振動により内連星の離心率が変化し、重力波放出量も変化することで、パルサーの近星点移動曲線の屈折が観測的にみられることを予言し、その成果をMonthly Notices Letters に掲載した。さらに相対論的効果を考慮した階層的三体系から放出される重力波の波形やスペクトルの詳細な解析を行い、予想される重力波が将来の観測計画(LISA、DECIGO、BBO)において十分に観測可能であることを明らかにした。この系からの重力波は、一度発見すればその後は古在・リドフ振動周期で何度も観測可能になるため、次の観測に向けた準備期間が十分得られることからより詳細な解析を可能にする(Phys.Rev.D に掲載)。第二の課題に対しては、いくつかの修正重力理論(Metric-affine Gravity、DBI-Galileon gravity、hybrid Higgs inflation model)に基づき、宇宙初期の加速膨張(インフレーション)および現在の加速膨張(ダークエネルギー)のメカニズムについて解析を行った。また、ローレンツ不変性を破る理論に基づきkink・anti-kink の衝突現象を解析し、フラクタルなどの非線形物理学にみられる特徴的な振る舞いを明らかにしている。AdS/CFT対応を基礎にしたアプローチに関しては、研究をスタートした段階でまだほとんど結果は得られていないが、研究の方向性は明確になってきており、短い期間で興味深い結果が得られるものと期待している。新型コロナ感染症の問題により、これまで考えていた研究の方法は大きく変える必要が出てきた。当初の予定では、共同研究を行う学生が少なくなってきたこともあり、海外の第一線で活躍する研究者との共同研究を中心にした研究を行うことを考えていた。しかしながら現在はそのような研究はかなり難しくなり、新しい研究方法が必要となった。第一の課題に関しては早稲田大学の研究員や学生および京大の学生との共同研究で、スカイプを使った共同研究を行っており、今後もその方法により予定している研究が遂行可能と考えられる。今後は予定通り、高次のポストニュートン近似項を考慮した場合の階層的三体系およびその系からの重力波解析、輻射の反作用を考慮した階層的三体系からの重力波解析、最終的には数値相対論に基づくより一般的な三体系からの重力波解析を行う。第二の課題に関しても、同じようなネットワークを構成することで、当初の研究内容を遂行することを考えている。実際、テーマは少し異なるか、先日早稲田大学高等研究所に滞在していた研究者と共同研究を始めたが、現在はZoomを使った議論およびメールにより研究を遂行している。第二の課題に関しても同様の方法を用いて行うことを現在検討中である

  • New developments of gravity theory research in gravitational wave physics / astronomy

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research

    Project Year :

    2017.06
    -
    2022.03
     

  • 重力波物理学・天文学における重力理論研究の新展開

    科学研究費助成事業(京都大学)・基礎物理学研究所  新学術領域(研究領域提案型)

    Project Year :

    2017
    -
    2021
     

  • Systematic Study with Organized Combinations of Three Approaches for Gravitational Theories

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research

    Project Year :

    2016.04
    -
    2019.03
     

    Maeda Kei-ichi, Barrow John, Gibbons Gary, Starobinsky Alexei

     View Summary

    General Relativity has been confirmed by many experiments and observations. However, we have also found very important and serious mysteries in cosmology and gravitation (dark energy and inflation). In order to solve those problems, many modified gravitational theories have been proposed. To judge which theory is correct, we believe that we should perform a systematic study of those theories instead of independent analysis. Here I have proposed three approaches for gravitational theories ([I] Effective Field Approach, [II] Fundamental Theoretical Approach, [III] General Relativistic Approach), and performed a systematic study with organized combinations of those three approaches to analyze dark energy problem and inflation

  • 3つの系統的アプローチの有機的な組み合わせによる様々な重力理論の検証

    科学研究費助成事業(早稲田大学) 

    Project Year :

    2016.04
    -
    2019.03
     

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Misc

  • Higher Dimensional Black Holes Preface

    Kei-ichi Maeda, Tetsuya Shiromizu, Takahiro Tanaka

    PROGRESS OF THEORETICAL PHYSICS SUPPLEMENT   ( 189 ) I - II  2011

    Other  

  • Progress of Theoretical Physics: Preface

    Misao Sasaki, Jiro Soda, Takahiro Tanaka, Toshifumi Futamase, Hideo Kodama, Yasufumi Kojima, Kei Ichi Maeda, Shinji Mukohyama, Nobuyoshi Ohta, Ken'ichi Oohara, Masaru Shibata, Tetsuya Shiromizu, Masahiro Yamaguchi, Jun'ichi Yokoyama, Wataru Hikida, Kunihito Ioka, Noriyuki Kogo, Shigehiro Nagataki, Takashi Nakamura

    Progress of Theoretical Physics    2006.10

  • 重力波観測による重力理論の検証可能性

    西条 統之, 真貝 寿明, 前田 恵一

    早稲田大学情報科学研究教育センタ-紀要   ( 21 ) 21 - 34  1997.03

    CiNii

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Overseas Activities

  • 宇宙のダークエネルギーと重力理論

    2012.04
    -
    2013.03

    フランス   APC 研究所

    イギリス   ケンブリッジ大学

    ニュージーランド   オークランド大学、カンタベリー大学

  • 重力物理学と宇宙論の最重要課題に関する研究

    2006.03
    -
    2006.09

    スペイン   バルセロナ大学

    イギリス   ケンブリッジ大学、ポーツマス大学

Internal Special Research Projects

  • 重力波天文学に向けた相対論的三体系のダイナミクスと重力波

    2020  

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    連星合体からの重力波直接観測により、新しい天文学としての重力波天文学は物理学や天文学に大きな寄与をする段階になってきた。この段階において、理論物理学として重要な課題は、観測可能な重力波源の詳細な解析で、現在発見されている連星以外の重力波源はさらに新たな情報をもたらすと期待される。申請者は、階層的3体系のダイナミクスの解析を行い、そのような系からの放出重力波について詳細に調べた。その結果、現在計画されているLISAなどによる観測可能性を指摘した。また、Lense-Thirring効果が重要となるブラックホールが回転している場合についての解析も行い、その重要性を指摘した。

  • 三体力学系のダイナミクスと重力波

    2019  

     View Summary

    自然界には連星のような2体系以外にも3体や4体の力学系が数多く存在する。そのような系は非可積分系で、カオスなど従来にない振る舞いを示すため、そのような系からどのような重力波が放出されるかを解析しておくことはこれからの重力波天文学にとって非常に重要である。本研究では、3体系でも比較的規則正しく運動する階層的3体系からの重力波についての研究を行った。この階層的3体系においては、古在・リドフ機構と呼ばれる重要な効果が現れ、内部連星軌道の離心率が周期的に変化する。特に、その離心率が大きくなるフェイズで重力波放出量が非常に大きくなり、LISAなどの宇宙空間における観測計画で観測可能となることを示した。

  • 相対論的重力系における重力波と修正重力理論の研究

    2018  

     View Summary

    2015年9月の重力波の発見により本格的に始まった重力波天文学においては、相対論的力学系からの重力波の理論的な解析が重要な役割を担っている。本研究では階層的三体系における重力波について解析を行った。階層的三体系はより近くを回る連星(内連星)と第3の天体が連星系(外連星)をなす系である。その系に特徴的な古在・リドフ振動は、内連星および外連星のそれぞれの回転面のなす角と内連星の離心率の間の振動である。本研究では、離心率が大きくなったときにより多くの重力波を放出し、近星点移動の累積変化曲線が大きく曲がることを明らかにした。この変化が観測されれば、一般相対性理論のさらなる検証を与えることになる。

  • AdS/CFT対応におけるブラックホール時空とカオス

    2017  

     View Summary

    本研究では、AdS/CFT対応を研究する際に重要となる重力サイドの漸近的AdS時空のダイナミクスとして特に「AdS時空上におけるカオスなどの非線形動力学系」に着目し、漸近的AdSブラックホール時空における弦の振る舞いについて研究を遂行した。従来ほとんど議論されてきていないAdS時空におけるカオス力学系を研究することはAdS/CFT対応における研究の基礎の一つを与える。本研究遂行のために、重力物理学の権威であるGibbons教授と議論するために2017年9月にCambridge大学を訪問した。また、宇宙論・カオス力学系研究の第一人者であるBarrow教授と情報交換を行い、新しく共同研究をスタートした。

  • AdS/CFT対応の基礎としてのブラックホール動力学

    2016  

     View Summary

    昨年度に引き続き、本年度も、AdS/CFT対応研究に重要な漸近的AdS時空のダイナミクスの研究を行った。本研究では、特に「AdS時空上におけるカオスなどの非線形現象」に着目し研究を遂行した。SchwarzschildAdS 時空に於ける弦の運動について解析を行い、 winding数が異なる場合には非可積分になり、特に質量が臨界値を越えると強いカオス性を示すことを明らかにした。さらにその量子系における解析を行い、可積分系と非可積分系における準位間隔分布の差について解析を行い、弦の量子論における基礎的問題を提起している。

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